基于细胞膜仿生策略的纳米颗粒在肿瘤治疗中的应用

随着纳米技术的发展，纳米颗粒凭借其物理、化学、生物学优势被广泛应用于医学领域。然而，生物安全性差、血液循环时间短、靶向能力弱等缺点，仍然限制着纳米颗粒在肿瘤治疗方面的应用。作为一种天然生物材料，细胞膜拥有独特的生物学性质。细胞膜仿生策略赋予纳米颗粒不同的生物学性质，弥补了纳米材料本身的不足，扩大了纳米颗粒在肿瘤治疗方面的应用。文章主要介绍细胞膜仿生纳米颗粒的制备方法以及膜仿生策略在肿瘤治疗中的应用与研究。     

氧化铁纳米材料在肿瘤治疗中的研究进展

氧化铁纳米材料是目前美国食品药品监督管理局(FDA)批准的唯一可运用于临床的无机纳米材料,在磁共振医学影像中发挥着重要的作用.近年来,随着化学技术的蓬勃发展,以化学修饰改造为代表的优化策略在氧化铁纳米颗粒尺寸大小的调控、成分结构的改造以及表面功能化修饰中大量运用,使得生物相容性良好的氧化铁纳米颗粒在医学健康领域,特别是肿瘤治疗方面的运用得到极大的拓展.本文将探讨以氧化铁纳米颗粒为基元的纳米材料在肿瘤治疗领域的研究与发展,分别就当前氧化铁纳米颗粒的制备工艺、氧化铁纳米颗粒的生物学效应功能、氧化铁纳米颗粒在肿瘤治疗,以及肿瘤免疫微环境调节的运用等方面进行了总结.最后,讨论了氧化铁纳米颗粒作为肿瘤药物向临床转化面临的问题,并展望了其未来的发展方向.     

纳米颗粒与细胞的交互作用

与大块材料相比,纳米尺度材料有着独特的光学、电学、力学和生物学性质,这使得纳米颗粒在药物输运和肿瘤成像等医学方面展现出巨大的应用前景.同时,愈来愈多的工业化纳米颗粒和纳米材料的制备,使得其生物安全性也受到很大的关注.由于纳米颗粒进入体内后的作用发生在细胞层面上,这要求我们很好地去理解纳米颗粒与细胞之间的相互作用.大量的实验表明,纳米颗粒吸附在细胞膜表面,并通过不同方式被细胞所摄取.纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学性质、表面电荷分布、拓扑结构以及颗粒弹性性能等都对两者间的相互作用有着显著的影响.本文简要介绍颗粒进入细胞的路径,着重阐述影响颗粒/细胞交互作用的关键因素,并对后续的研究方向进行展望.     

纳米颗粒抑制肿瘤转移的研究进展

肿瘤转移已经成为癌症治愈的最大难题.由于传统手术难以完全清除原发灶,而且传统化疗给药效率低,使得未被完全清除的肿瘤通过上述两个阶段在远端形成转移灶.利用纳米颗粒则有望攻克这一难题.因为它能够在肿瘤部位有效富集、联合如光热治疗等其他疗法,有效抑制原发灶的增殖转移;同时它还能够捕获循环肿瘤细胞、富集于特定转移灶器官或淋巴结、抑制肿瘤(如:脑胶质瘤)的转移和复发.本文以功能性纳米颗粒为对象,总结了功能性纳米颗粒在不同肿瘤组织的富集策略,分析了功能性纳米颗粒清除原发灶的机制和方法,探讨了功能性纳米颗粒对抑制转移灶生长、扩散、复发的影响,最后从临床应用的角度对纳米颗粒的研究现状、未来前景以及面临的挑战进行了分析和展望.     

等离子激元纳米颗粒组装及其生物应用

近年来,通过自组装技术能够可控地将单个纳米颗粒组装成一维、二维或三维空间构象的新型复合材料.相对于单独的纳米颗粒,纳米颗粒组装材料可表现出许多新颖或优异的物理性质,具有巨大的应用前景,因此在纳米材料领域越来越受到关注并快速发展.尤其是贵金属纳米颗粒组装体具有独特的等离子激元光学性质,在生物传感、成像和治疗等方面具有广阔的应用前景.本文回顾了近年来通过分子介导方法对纳米颗粒进行组装及其生物应用的最新研究进展,重点介绍了几种分子介导的纳米颗粒组装技术,以及纳米颗粒组装体的生物医学应用,并展望了其发展前景.     

纳米碳复合材料的结构设计和功能仿生

高含量纳米碳复合材料能够更好地体现碳纳米管等纳米材料自身的性质.借助自然材料的结构设计和整合思想,使得高含量的纳米碳组装结构体及其复合材料具有结构的合理化、性能的优异化、材料的可控化和应用的高效化,这种方法也将成为未来纳米复合材料发展的重要方向.本文主要介绍了高含量仿生纳米碳复合材料加工过程、结构和界面的仿生设计思想,以及其在仿生智能驱动中的应用进展.     

磁小体蛋白介导磁性纳米颗粒仿生合成

趋磁细菌磁小体是由生物膜包裹且呈链状排列的磁性纳米颗粒,磁小体通过生物矿化形成的磁性纳米颗粒具有规则的形状、均一的粒径及较高的结晶度,引起了研究者的广泛关注.磁小体膜由磷脂和脂肪酸组成,磁小体膜脂质囊泡实际上是一个控制磁性纳米颗粒精确合成的纳米反应器.磁小体膜内的一系列生物矿化蛋白控制着铁的转运、铁的氧化还原、磁性纳米颗粒的形核以及生长.目前,磁小体生物矿化的具体机制尚未明确且磁小体难以实现规模化生产,因此引发了人们对仿生合成磁小体的研究.体内研究显示,磁小体蛋白如Mms6、MamC、MmsF、MamG和MamD对磁小体的尺寸和形貌具有重要的调控作用,被认定为用于仿生合成磁小体的最好候选蛋白.一些工作已经对源于趋磁细菌的Mms6、MamC、MmsF等重组蛋白介导的磁性纳米颗粒的仿生合成进行了研究.这些研究不仅能够帮助我们更好地理解磁小体的生物矿化过程,而且能够制备出高质量的类磁小体磁性纳米颗粒.本文重点综述了几种重要的磁小体蛋白在介导磁性纳米颗粒仿生合成方面的研究进展,并对其未来发展进行了展望.     

基于磁性纳米材料的肿瘤磁热疗研究进展

磁热疗是一种新型的肿瘤物理治疗方法,是肿瘤纳米医学范畴的重要研究内容之一,相对于传统的肿瘤热疗,具有低毒、可控等优势,已被证明其在临床肿瘤治疗中具有巨大应用潜力.然而当前纳米氧化铁热疗剂磁热转换效率低、纳米靶向递送效率不足,以及磁场发生设备的限制等问题,严重制约了肿瘤治疗效果.随着纳米材料合成技术的快速发展以及人们对于磁性纳米材料生物学效应的深入理解,以四氧化三铁为代表的磁性纳米材料作为可介导外场的新型智能材料在肿瘤磁热疗应用方面取得了长足的发展.鉴于此,本文围绕如何提高肿瘤磁热疗效,从磁性纳米材料的产热机制、优化磁热剂转换效率、提高磁纳米制剂的肿瘤靶向性、肿瘤磁热疗应用以及磁场发生设备等方面展开讨论,综述了基于磁性纳米材料的肿瘤磁热疗最新研究进展.     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷，促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料，并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料，具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点，被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域，也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等，文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

“摇铃形”金复合纳米二氧化硅在细胞和组织暗场成像中的应用

金纳米颗粒因其具有独特的物理化学及光学性质, 在生物影像、癌症诊断治疗等领域表现出极大的应用前景, 但因小尺寸纳米金颗粒(<20 nm)在生理体液环境中稳定性较差、体内安全剂量低、被动靶向效果不明显等问题, 使其在体内成像, 尤其在活体肿瘤部位成像中受到较大局限. 本文针对上述问题, 将13 nm金颗粒生长在具有特殊核壳结构的夹心二氧化硅空腔之内, 形成具有新型结构的“摇铃形”金复合纳米二氧化硅(silica nanorattles@gold nanoparticles, SN@GN), 既保留金纳米颗粒的强散射特性以利于细胞和动物组织中实现暗场成像, 同时二氧化硅壳层将金颗粒保护起来, 提高了纳米颗粒的稳定性. 细胞毒性实验表明SN@GN的细胞生物相容性良好, 毒性低. 动物急性毒性实验表明, SN@GN的最大耐受剂量大于200 mg/kg, 而GN的体内最大耐受剂量仅为4.6 mg/kg, 显著提高了金纳米颗粒的生物相容性. 本研究为SN@GN在生物暗场影像领域的应用提供了重要的实验依据.     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷,促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料,并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料,具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点,被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域,也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等,文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

光镊与DNA纳米技术在膜生物学研究中的应用

生物膜是生命活动中信号传导和物质运输的平台。近年来，多学科的交叉应用为膜蛋白介导的膜融合与分裂、囊泡形成与分泌，以及脂质代谢的调控机制等膜生物学研究带来了新的信息。例如，单分子光镊力谱方法通过精准、定量地检测蛋白与膜的相互作用，为在时空维度上理解这一生物过程的复杂调控机制提供了强有力的手段。此外，DNA纳米技术通过构建纳米尺度可编程的自组装结构，提供了可精确修饰与功能化的分子器件。经过疏水修饰的核酸纳米器件可以作用于磷脂膜或生物膜，进而对膜进行表面改性、诱导形变、控制理化参数以及跨膜通信等调控操作。该领域的进步将为细胞生物学机制研究、分泌囊泡的分析检测、人工脂质体的制备优化、新型分子载具开发以及新型药物开发提供特色的工具手段，并构建新颖的体系平台助力合成生物学、化学生物学以及分子医学的发展。     

仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料，由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度，但是会导致“强韧性倒置”的矛盾，从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的“砖-泥”结构，进行仿生层状构型设计，是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

纳米金等离子共振特性在生物成像中的应用

随着生物医学的发展, 科学研究对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高, 纳米技术和材料被越来越多地应用到生物医学领域中来. 在细胞和生物组织的成像分析中, 纳米金由于其特殊的表面等离子共振特性和优良的生物相容性, 常被用作对比剂、靶向载体、增强剂、示踪剂和传感器而广泛应用于生物成像领域中. 我们将课题组的研究方向与目前该领域的研究热点相结合, 从纳米金辅助细胞及细胞内成像和动物活体成像两个方面就纳米金在生物成像、医学诊断等领域中的应用进展进行了阐述.     

金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用

金属纳米结构的表面等离子体光学在光催化、纳米集成光子学、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池, 以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景, 这些功能和金属纳米结构与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关. 本文简单回顾国际上该领域过去十来年的一些重要研究进展和当前发展的前沿动态, 重点介绍我们课题组近年来在金属纳米颗粒和纳米结构的表面等离子体光学理论和实验研究上取得的一些成果. 同时还介绍了我们课题组目前在表面等离子体光学研究方面的若干新思路, 包括表面等离子体共振放大、紫外波段光学天线、纳米天线光学双稳态、表面等离子体辅助的量子相互作用等. 通过这些经验和教训的介绍与讨论, 期望能够达到抛砖引玉的目的, 与国内同行来共同探讨表面等离子体光学结构是如何在纳米尺度上实现对光的各种性质的调控和利用的, 并向等离子体光学的未知领域开拓进取.     

无机纳米材料的生物催化活性

目前,无机纳米材料模拟生物酶催化活性的报道得到了纳米技术领域的广泛重视,模拟葡萄糖氧化酶的纳米金和过氧化物酶的磁性纳米颗粒就是其中的典型代表.与常规的生物酶相比,无机纳米颗粒稳定性较强,受酸碱、温度等因素的影响较小;而且易于制备和纯化,生产成本低,容易被标记和修饰,具有广泛的研究和应用前景.此外,由于无机纳米材料低毒、生物相容性好的特点,这些纳米颗粒还有望在生命体的生理代谢过程中发挥重要的作用.相关的研究已经证明了无机纳米材料的酶学性质,并在催化机理层面进行了初步的探讨.本文综述了无机纳米材料在生物酶催化活性方面的研究进展与应用前景,希望能够为此类纳米材料更加科学合理地运用于生物催化领域提供参考.